În acest articol voi încerca să răspund la o întrebare dificilă şi totodată interesantă. Este constanta structurii fine într-adevăr o constantă? Poate. Probabil că da. Astăzi am să vă spun un secret. Mai mult de 90% din informaţiile ştiinţifice de ultimă oră pe care le citiţi în cadrul rubricilor de ştiri sunt greşite. Se face mare caz atunci când cineva anunţă că are o teorie care ar putea răsturna teoriile lui Einstein sau mecanica cuantică, dar se lasă o tăcere absolută atunci când se dovedeşte că acea teorie nu face predicţii sau, mai rău, s-a dovedit deja greşită pe baza a ceea ce ştim în prezent.

 

 

 

Revoluţiile ştiinţifice se întâmplă destul de rar şi acesta este motivul pentru care ele sunt atât de importante. Tocmai de aceea eu nu mă grăbesc să vă anunţ noile observaţii sau noile teorii aparent inovatoare. Astăzi voi face o excepţie. Motivul îl reprezintă o serie de observaţii care au fost anunţate în urmă cu câteva săptămâni şi care mi-au atras atenţia.

Aşa cum mi-a scris şi un cititor este vorba aici despre o variaţie a valorii constantei structurii fine, ceea ce ar implica că cel puţin una dintre constantele noastre importante să se modifice în funcţie de locul în care ne aflăm în Univers. Să începem uşor.

 

 

Ce este constanta structurii fine?

Înainte de a răspunde la această întrebare vreau să vă ofer un răspuns la o altă întrebare des întâlnită: de ce valoarea vitezei luminii este de 300.000 km/s în loc de oricare alta?

Aceasta nu este o întrebare formulată corect. Întrebarea reală este: de ce este definit kilometrul astfel încât lumina să străbată 300.000 de km într-o secundă? Multe dintre mărimile despre care noi credem că reprezintă nişte constante în natură au numai anumite valori din cauza unităţilor pe care noi am ales să le utilizăm. Dacă am folosi în schimb ca unităţi de măsură secundele şi secunde-lumină, atunci viteza luminii ar fi de 1 secundă-lumină/secundă.

V-am spus toate acestea pentru a vă arăta că există mai multe modalităţi de a combina constante fizice astfel încât să obţinem valori constante. În special, numărul


alfa=2*pi e2/hc,

este adimensional. Aceasta este singura ecuaţie din articol (deja cu una mai mult decât prezint în mod normal), aşa că ar trebui să vă explic mai bine ce înseamnă acele mărimi. „Alfa" reprezintă subiectul despre care vorbim azi şi anume constanta structurii fine (FSC - fine structure constant). Ea are o valoare de aproximativ 1/137,03599908. Am inclus toate acele zecimale suplimentare pentru că noi putem determina acest număr cu o precizie remarcabilă, cel puţin de pe Pământ.

În partea dreaptă a ecuaţiei, „h" este cunoscut sub numele de constanta lui Planck şi este folosit ori de câte ori este vorba despre mecanica cuantică. „c" este viteza luminii şi „e" reprezintă sarcina electrică a electronului.

După cum se poate observa, FSC reprezintă o relaţie între mai multe constante. Mai important, acest număr este practic o constantă magică care ne spune cât de puternic este electromagnetismul. De exemplu, hidrogenul (şi toţi ceilalţi atomi) emite lumină având doar anumite energii. Aceste energii sunt complet determinate prin pătratul lui FSC.

Dar aici este lucrul ciudat: nu avem absolut nicio idee de unde provine valoarea lui FSC.

Aţi putea fi tentaţi să credeţi că nu ştim nimic despre nimic, dar nu este vorba despre asta. Dacă aţi face câţiva ani de fizică şi aţi decide să aprofundaţi teoria câmpului, veţi descoperi ceva uimitor. Putem începe cu o idee matematică simplă prin care fizica Universului nu se va schimba dacă multiplicăm toate funcţiile de undă din mecanica cuantică cu un câmp complex ales complet arbitrar. Nu contează de ce ne-am dori să facem acest lucru, important este că putem face. Acesta este numit „transformare locală gauge U(1)". Prin această presupunere destul de simplă putem obţine literalmente electricitatea şi magnetismul. Este minunat.

Există însă un detaliu care lipseşte — tot ceea ce rezultă în urma acestui calcul este valabil doar până la o anumită constantă de proporţionalitate. Cu alte cuvinte, nu avem absolut nicio posibilitate de a determina ce este FSC (sau sarcina electronului), ci doar să o măsurăm.

Ce înseamnă acest lucru? Înseamnă că fie FSC reprezintă ceva ce nu suntem încă suficient de inteligenţi pentru a-l putea prezice, fie că Universul nostru (sau partea noastră de Univers) se întâmplă să aibă o valoare pentru FSC potrivită pentru viaţă. Dacă s-ar modifica valoarea FSC cu doar câteva procente, atunci nu ar mai putea să apară elemente grele. Acesta este un argument pentru „principiul antropic" şi, aşa cum am mai spus anterior, celor mai mulţi dintre fizicieni chiar nu le place această direcţie de raţionament. Dar dacă FSC variază foarte mult în timp şi spaţiu atunci există un indiciu neliniştitor că doar anumite zone ale Universului ar putea fi potrivite pentru viaţă şi în mod natural ne gândim că noi trăim într-unul dintre aceste locuri speciale, altfel noi nu am fi putut exista aici să ne punem aceste întrebări.


Care este importanţa acestor lucrări?

Am de gând să vă vorbesc despre un anume rezultat, dar asta nu înseamnă că el este corect. Şi mai rău încă, îl veţi afla abia la sfârşitul acestui articol.

Deci, în primul rând, un pic de fizică. Dacă încălziţi o mulţime de atomi ei vor radia lumină, dar numai la anumite lungimi de undă, în funcţie de tipul de atom. Iată de ce, de exemplu, un indiciu pentru prezenţa neonului îl reprezintă o anumită nuanţă de roşu. Pe de altă parte, dacă luaţi o sursă de lumină foarte strălucitoare şi o treceţi printr-un nor de gaz, lumina acesteia va fi absorbită doar pentru anumite lungimi de undă.

Spaţiul este umplut cu nori de gaz şi există, de asemenea, surse de radiaţii foarte îndepărtate şi foarte luminoase numite quasari. John Webb de la University of New South Wales şi colaboratorii săi au studiat liniile de absorbţie foarte apropiate pentru diverşi ioni de fier şi magneziu aflaţi în norii de gaz foarte îndepărtaţi. Prin măsurarea lungimilor de undă relativă a două linii de absorbţie ei au putut compara valorile pentru FSC corespunzătoare unor distanţe cosmologice cu ceea ce noi putem măsura în condiţii de laborator aici pe Pământ.

Ştiu ceea ce gândesc unii dintre voi, cel puţin aceia dintre voi care sunteţi pasionaţi de astronomie. De unde ştiţi că deplasarea liniilor spectrale se datorează unei modificări a valorii FSC, mai degrabă decât unei deplasări obişnuite spre roşu pe care noi o putem observa la toate obiectele îndepărtate? Chiar sunteţi inteligenţi! Răspunsul este că energia medie a celor două linii în dublet ne dă, mai mult sau mai puţin, deplasarea spre roşu în timp ce separarea dintre cele două linii ne indică variaţia FSC de aici de pe Pământ.

Pentru a face lucrurile mai clare, Julian Berengut de la UNSW (University of New South Wales) a realizat diagrama de mai jos:



Cu un deceniu în urmă, echipa UNSW a descoperit, spre surprinderea tuturor, că la miliarde de ani-lumină depărtare de noi valoarea pentru FSC este uşor mai mică decât cea de aici de pe Pământ. Cu toate acestea, diferenţa este destul de mică, de doar aproximativ 1 parte la o sută de mii. Cu alte cuvinte, fizica în celălalt capăt al universului fizic ar fi aproape la fel (dar nu identică) cu cea de aici de pe Pământ. Aceasta înseamnă că diagrama de mai sus arată un efect de aproximativ 10.000 de ori mai mare decât cel pe care cercetătorii l-au constatat. Semnalul recepţionat a fost suficient de slab, astfel încât este justificat ca oamenii să se întrebe dacă nu cumva rezultatele obţinute de echipa UNSW se datorează impreciziei de măsurare.

Cei mai mulţi fizicieni nu au crezut rezultatul lor iniţial, deoarece constrângerile utilizate au fost destul de slabe şi efectul observat destul de mic. A existat şi un studiu al unui grup concurent care nu a confirmat rezultatul. Şi, în mare parte, rezultatul iniţial a fost uitat până de curând. În cadrul celui mai recent studiu al lor, ei au privit într-o direcţia opusă pe cer şi au constatat că valoarea pentru FSC a fost un pic mai mare decât este ea aici pe Pământ. Iniţial, echipa UNSW a susţinut că valoarea lui FSC a variat în timp, dar experimentele de laborator de pe Pământ şi propriile lor dovezi recente par să sugereze că efectul se datorează în special unei variaţii în spaţiu a valorii FSC.

Dacă rezultatul este adevărat, atunci aceasta este o concluzie foarte importantă. Aceasta înseamnă că într-un anume mod (şi amintiţi-vă că nu ştim de unde provine valoarea lui FSC) FSC variază de-a lungul Universului. Aceasta contrazice „principiul cosmologic" care afirmă practic că „oriunde aţi merge Universul arată la fel". Sau, pentru a ne exprima în alt mod, se presupune că la o scară mare proprietăţile Universului sunt aceleaşi.

Sunt aproape sigur că mulţi dintre voi vor considera acest lucru ca fiind o dovadă a inexistenţei materiei întunecate, a energiei întunecate sau o infirmare a unei părţi a modelului cosmologic standard. Nu este cazul. Chiar dacă rezultatul este adevărat, efectul este încă incredibil de mic şi el ne spune mai mult despre modul în care se aplică fizica fundamentală, decât despre ceea ce se întâmplă în zona noastră locală de univers.


Au ei dreptate?


Dacă veţi vorbi cu prietenii voştri astrofizicieni veţi descoperi la aceştia o doză mare de scepticism. Veţi auzi comentarii de genul: „Noi nu ştim cum ar putea varia constanta structurii fine" sau „Ar trebui să reconsiderăm o mulţime de lucruri în legătură cu ceea ce ştim despre fizică". Acest lucru este adevărat. În timp ce noi ar trebui să păstrăm legile fizicii din prezent, aceasta ar însemna că parametrii acestor legi ar depinde în mare parte de universul nostru local şi nu ştim cum ar putea ele funcţiona în acest caz.

Şi aceasta ar fi o veste foarte rea. Ei bine, atunci când aveţi un set de observaţii care nu se potriveşte cu modelul vostru, atunci este necesar să schimbaţi modelul. În acest fel evoluează ştiinţa.

Cele mai importante critici pe care le au majoritatea oamenilor se referă la faptul că este posibil ca Webb şi colaboratorii săi să nu fi analizat corect erorile lor de măsură şi „semnalul" lor să fie de fapt „zgomot." Aceasta este o critică absolut corectă şi dacă mă întrebaţi aceasta este cea mai probabilă cauză a rezultatelor obţinute. O altă posibilitate (pe care echipa a discutat-o, dar o respinge) ar fi ca acelaşi tip de rezultat pe care echipa UNSW l-a găsit să fie cauzat de anumiţi nori care ar avea un raport al izotopilor foarte neobişnuit.

Alţii au observat că echipa UNSW a fost foarte norocoasă în ceea ce priveşte orientarea telescoapelor lor în raport cu variaţia FSC. Primul set de observaţii a provenit din direcţia nord, acolo unde valoarea lui FSC este aparent mai mică decât pe Pământ, în timp ce al doilea set de observaţii a provenit din sud unde valoarea lui FSC este aparent mai mare decât pe Pământ. De cele mai multe ori, în cazul în care două seturi de măsurători se suprapun (aproape de ecuator) semnalul obţinut este aproape zero. Desigur, acest lucru nu infirmă nimic, dar este suspect, deoarece este puţin probabil ca semnalul FSC să se alinieze cu orientarea aleasă de echipă pentru a efectua observaţiile.

Dar motivul pentru care v-am vorbit despre acest lucru este faptul că nu este suficient să ne legăm de toate fleacurile care ar putea să ne cauzeze probleme. Vreţi să infirmaţi acest efect? Puteţi face câteva observaţii şi să arătaţi că semnalul nu este repetabil. Sau, dacă nu vreţi să treceţi prin toate astea, aţi putea cel puţin arăta unde a greşit Webb în cadrul analizei erorilor. şi nu priviţi la mine. Eu sunt un teoretician.

Traducere de Cristian-George Podariu după is-the-fine-structure-constant-really-constant